606

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

_______________________

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» (ПГУАС)

ХИМИЯ ВОДЫ И МИКРОБИОЛОГИЯ

Методические указания к практическим занятиям для направления подготовки 08.03.01 «Строительство»

Пенза 2016

УДК [628.16+628.34]:579.6+543.3(075.8) ББК 38.761+28.4+28.072я73

Х46

Рекомендовано Редсоветом университета Рецензент – кандидат химических наук А.В. Нуштаева (ПГУАС)

Химия воды и микробиология: методические указания к практичеХ46 ским занятиям для направления подготовки 08.03.01 «Строительство» / Н.Г. Вилкова, А.А. Шумкина, П.А. Полубояринов. – Пенза:

ПГУАС, 2016. – 32 с.

Содержатся рекомендации по выполнению практических занятий по дисциплине «Химия воды и микробиология».

Методические указания подготовлены на кафедре «Физика и химия» и предназначены для студентов 2-го курса направления 08.03.01«Строительство», изучающих дисциплину «Химия воды и микробиология» по программе бакалавриата.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2016

Вилкова Н.Г., Шумкина А.А., Полубояринов П.А., 2016

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Методические указания разработаны для программы дисциплины «Химия воды и микробиология», составленной в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего образования для направления «Строительство» ( квалификация –бакалавр).

Дисциплина«Химия воды и микробиология» изучается студентами 2-го курса и входит в базовую часть общепрофессионального модуля учебного цикла Б1.Б.2.1.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля) «Химия воды и микробиология» (в соответствии с ФГОС ВО):

–знание научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по профилю деятельности;

–способностьсоставлятьотчеты по выполненнымработам, участвовать во внедрении результатов исследований и практических разработок.

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать: научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт по профилю деятельности.

Уметь: применять полученные знания в практической деятельности, составлять отчеты по выполненным работам, участвовать во внедрении результатов исследований и практических разработок.

Владеть: основными знаниями, необходимыми для выполнения теоретического и экспериментального исследования, которые в дальнейшем помогут решать на современном уровне вопросы водоснабжения и водоотведения.

3

Практическое занятие 1. Особенности химического состава природных и сточных вод

По химическому составу компоненты природных вод условно делят на пять групп: 1) главные ионы; 2) растворенные газы; 3) биогенные вещества; 4) органические вещества; 5) микроэлементы.

Главные ионы. В природных водах установлено присутствие более 70 химических элементов. Наиболее распространенные анионы:

HCO3 ; SO24 ; CO32 ; HSiO3 и катионы: Na+; Ca2+; Mg2+; K+; Fe2+. Содержа-

ние главных ионов в пресных водах составляет 90...95 % от общего солесодержания.

В природных водах постоянно присутствуют ионы Са2+ и Mg2+, которые обусловливаютобщуюжесткостьводы. Основнойисточникихпоступления в воду – растворение известняковых пород, алюмосиликатов и др. Ионы Са2+ характерны для мало- и среднеминерализованных вод. В минерализованных водах увеличивается концентрация ионов Mg2+. В санитарно-гигие- ническом плане ионы Са2+ и Mg2+ не представляют особой опасности, но значительная жесткость делает воду непригодной для хозяйственно-быто- вого и производственного потребления.

Ионы железа и марганца встречаются в природных водах в виде гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов, фосфатов, а железо – также в гуминовом комплексе. Большие концентрации железа встречаются в железистых минеральных водах, где содержание его достигает 100 мг/л. В обычных природных водах концентрация железа не превышает нескольких миллиграммов на литр*.

Гидрокарбонат-ион часто преобладает в пресных водах. Наличие его в природныхводахсвязаносрастворениемкарбонатныхпородподдействием

оксида углерода (IV). Ион HCO3 вместе с ионами Са2+ и Mg2+ обусловливает карбонатную (временную) жесткость воды. Для большинства природных вод содержание иона HCO3 (в ммоль/л) характеризует их общую ще-

лочность.

Вследствие большой растворимости хлоридов ионы хлора присутствуют почти во всех водах. Наибольшей растворимостью обладают хлориды магния и натрия (545 г/л и 360 г/л соответственно). Хлориды появляются в природных водах при растворении горных пород и извержении вулканов. При концентрации хлорид-иона более 300 мг/л у воды появляется солоноватый привкус. Кроме того, хлориды усиливают коррозию железа в воде. Повышение концентрации хлоридоввводеможет служитькосвенным показателем загрязнения водоема сточными водами.

* Предельнодопустимыеконцентрациижелезаимарганцавводеравны0,3 и0,1 мг/лсоответственно.

4

Ионы SO24 поступают в природные воды в процессе растворения гипсовых пород, окисления сульфидов, серы, органических серосодержащих соединений. Содержание SO24 -иона лимитируется в питьевой воде; так,

приконцентрацииболее500 мг/лучеловекамогутвозникатьсимптомырасстройства деятельности желудочно-кишечного тракта.

Вода, содержащая большие количества хлоридов и сульфатов, обладает коррозионной активностью.

Присутствие кремниевой кислоты в воде не вызывает ухудшения её качества. Кремниеваякислотапопадаетвводуприрастворениинекоторыхсиликатов. Онамалорастворимавводе, исодержаниееевприродныхводахне превышает30...40 мг/л. Наличиекремниевойкислотынедопускаетсявводе, используемой для питания паровых котлов.

Растворенные газы. Кислород. Кислород попадает в воду из воздуха, а также может образоваться в результате жизнедеятельности зеленых растений. Концентрация кислорода в воде зависит от её температуры. Максимально возможная концентрация кислорода в воде при 0 С и атмосферном давлении составляет 14,56 мг/л. Содержание кислорода в воде зависит от времени года, глубины водоема, жизнедеятельности водных организмов. Снижение концентрации растворенного кислорода может указывать на загрязнение водоема органическими соединениями.

Оксид углерода(IV). Этот газ находится вводекакврастворенномвиде, такивформеугольнойкислоты. Суммарноесодержание(СО2 + Н2СО3) объединяется понятием «свободная угольная кислота». Основным источником оксида углерода (IV) в поверхностных водах являются биохимические процессы распада органических веществ. Кроме того, он попадает в поверхностные водоемы с подземными водами, а также поглощается водой из воздуха. В поверхностных водах содержание оксида углерода (IV) обычно составляет0,5...2, максимум30 мг/л. Вподземныхводахегоконцентрацияможет превышать50 мг/л. Содержание оксида углерода (IV) в воде зависит от солесодержания, рН, температуры, концентрации ионов Са2+ и характеризуется карбонатным равновесием.

Сероводород. В водах, не содержащих растворенного кислорода, создаются условия для появления сероводорода. Он образуется в результате растворения сульфидных минералов под действием кислот, при биохимическом разложении серосодержащих органических загрязнений в отсутствие кислорода. Сероводород является токсичным соединением и придает воде неприятный запах, который обнаруживается при концентрации его в воде более 0,3 мг/л. Кроме того, сероводород вызывает коррозию железа и способствует развитию серобактерий. Раствор сероводорода проявляет свойства слабой кислоты. При рН 5...9 в воде присутствует сероводород в равновесии с гидросульфид-ионом. При рН < 5 в воде находится только сероводород, а при рН > 9 в воде появляются сульфид-ионы.

5

Соединения, содержащие азот и фосфор. Органические соединения азота представлены белками и продуктами их распада. Ионы

( NH4 ; NO2 ; NO3 ) могут образоваться при разложении азотсодержащих ор-

ганических соединений или поступают в природные воды при вымывании удобрений из почвы (нитраты).

Нитриты ( NO2 ) являются промежуточной формой окисления аммоний-

ногоазотавнитраты. Концентрациянитритовинитратоввчистыхводоемах оцениваетсясотыми, десятымидолямимг/л, ноиногда, напримерприсмыве удобрений, может достигать 10 мг/л и более.

Аммонийные соединения также содержатся в воде в малых концентрациях (десятые, сотые доли мг/л).

Преобладание той или иной формы содержания неорганического азота можетбытьиспользованодляопределениявремени, прошедшегосмомента загрязнения водоема органическими соединениями. При свежем загрязнении в воде содержится аммонийный азот; присутствие в воде нитратов указывает на то, что процессы разложения органических примесей заканчиваются. Наличие соединений азота в воде, используемой для промышленного водоснабжения, нежелательно, так как они приводят к развитию микроорганизмов в трубах, бассейнах.

Концентрация соединений фосфора в чистых водоемах незначительна (сотые, тысячные доли мг/л). Это минеральные формы фосфора (ди- и гид-

рофосфаты H2PO4 ; HPO24 ) и органические соединения. Увеличение кон-

центрации фосфатов до нескольких миллиграммов в литре воды вызывает развитие микроорганизмов в трубопроводах и водорослей в водоемах.

Органические вещества. Эта группа веществ включает различные органические соединения: органические кислоты, гуминовые вещества, углеводы и т.д. Органические вещества присутствуют в поверхностных водах в невысоких концентрациях (<0,1 мг/л). Как правило, количество органических веществ определяют гумусовые кислоты, которые делятся на гуминовые и фульвокислоты. Содержание фульвокислот в водах северных регионов достигает 100 мг/л.

Вследствие наличия в составе фульвокислот фенольных и карбоксильных групп эти вещества образуют с ионами металлов (Cu2+; Fe3+) прочные хелатные комплексы.

В связывании металлов могут участвовать также входящие в состав гумусовых веществ аминогруппы. Образующиеся комплексные соединения могут изменять физические показатели качества воды.

Формы выражения результатов анализа воды

Основными формами выражения результатов анализа являются: а) эквивалентная; б) принятая в химии воды – массово-объемная.

6

Эквивалентная форма выражения результатов анализа характеризуется количествомвеществаэквивалентов– nэк(В), содержащихсяв1 дм3 (л) воды, ивыражаетсявмоль/лилимиллимоль/л(ммоль/л). Количествовеществаэквивалентов для любых соединений определяется по формуле

где m(B) –масса соединения, г или мг;

Мэк(В) –молярная масса эквивалентов соединения, г/моль или мг/ммоль. В зависимости от класса соединений их молярные массы эквивалентов

вычисляются различно по следующим формулам:

где М – молярная масса гидроксида, г/моль или мг/ммоль.

Например: Мэк(NaOH)=М(NaOH)/1=40/1=40 г/моль или мг/ммоль; Мэк[Сa(OH)2]=М[Сa(OH)2]/2=74/2=37 г/моль или мг/ммоль.

где М – молярная масса кислоты, г/моль или мг/ммоль.

Например: Мэк(HCl)=М(HCl)/1=36,5/1=36,5 г/моль или мг/ммоль; Мэк(H2SO4)=М(H2SO4)/2=98/2=49 г/моль или мг/ммоль.

где М – молярная масса соли, г/моль или мг/ммоль.

Например: Мэк(NaCl)=М(NaCl)/1 1=58,5/1=58,5 г/моль или мг/ммоль; Мэк(CuSO4)=М(CuSO4)/1 2=159,5/2=79,75 г/моль или мг/ммоль; Мэк[Al2(SO4)3]=М[Al2(SO4)3]/2 =34,2/6=42 г/моль или мг/ммоль.

где М – молярная масса элемента, г/моль или мг/ммоль.

Например: Мэк(O)=М(O)/2=16/2=8 г/моль.

где М – молярная масса иона, г/моль или мг/ммоль.

7

Например: Мэк(Са2+)=М(Са2+)/2=40,08/2=20,04 г/моль или мг/ммоль;

Мэк(HСO3–)=М(HСO3–)/1=61/1=61 г/моль или мг/ммоль; Мэк(SO42–)= =М(SO42–)/2=96/2=48 г/моль или мг/ммоль.

Если результаты анализа необходимо выразить в массово-объемной форме (г/л или мг/л), то массу соединения, содержащегося в 1 дм3 (л) воды, вычисляют по формуле:

m(B)=nэк(B) Мэк(B).

Примеры решения задач

Пример 1. При анализе водопроводной воды установлено, что в 1 дм3

воды nэк(Са2+)=3,5 ммоль; nэк(Mg2+)=1,4 ммоль; nэк(SO42–)=1,1 ммоль. Выра-

зите результаты анализа в массово-объемной форме.

Решение. Массуионов, содержащихсяв1 дм3 воды, находятпоформуле m(B)=nэк(B) Мэк(B),

поэтому

m(Ca2+)=nэк(Ca2+) Мэк(Ca2+)=3,5 ммоль 20,04 мг/ммоль=70,14 мг; m(Mg2+)=nэк(Mg2+) Мэк(Mg2+)=1,4 ммоль 2,15 мг/ммоль=17,02 мг; m(SO42–)=nэк(SO42–) Мэк(SO42–)=1,1 ммоль ,03 мг/ммоль=52,83 мг.

Пример 2. При анализе природной воды установлено, что в 1 дм3 воды масса ионов кальция составляет 80 мг; масса ионов магния – 48 мг; масса хлорид-ионов – 213 мг. Выразите результаты анализа в эквивалентной форме.

Решение. Количество веществаэквивалентовдляэтихионоввычисляют по формуле:

поэтому

nэк(Ca2+)= 0 мг/20,04 мг/ммоль=3,99 ммоль; nэк(Mg2+)=4 мг/12,156 мг/ммоль=3,95 ммоль; эк(Cl–)= мг/35,5 мг/ммоль=6 ммоль.

Пример 3. В исследуемой воде содержится (в мг/л): Са2+ – 100,2; Mg2+ – 24,3; SO42 – 144; HCO3 – 244; Cl– – 35,5. Пересчитать результаты анализа

воды в эквивалентную форму. Вычислить содержание суммы ионов Na+ + K+ (врасчетенанатрий) вммоль/лив мг/л. Проверить, правильнолисделан анализ воды. Рассчитать общее солесодержание воды, общую жесткость, общую щелочность и массовые доли всех ионов в %.

8

Находим молярные массы эквивалентов ионов, содержащихся в воде, выражая их в мг/ммоль. Они равны частному от деления милллимолярной массы иона на величину заряда:

Мэк(Са2+) = 40,08 = 20,04 мг/ммоль; 2

Мэк(Mg2+) = 24,3 = 12,15 мг/ммоль; 2

Мэк( HCO3 ) = 611 = 61 мг/ммоль;

Мэк(SO24 ) = 962 = 48 мг/ммоль;

Мэк(Cl–) = 35,5 = 35,5 мг/ммоль. 1

Находим содержание этих ионов в эквивалентной форме: сэк(Са2+) = 100,20,042 = 5 ммоль/л;

сэк(Mg2+) = 12,1524,3 = 2 ммоль/л;

сэк( HCO3 ) = 24461 = 4 ммоль/л;

сэк(SO24 ) = 14448 = 3 ммоль/л; сэк(Сl–) = 35,535,5 = 1 ммоль/л.

Эквивалентная концентрация суммы содержания ионов Na+ + K+ (в ммоль/л) равна разности суммы содержания анионов (ммоль/л) и суммы содержания катионов Са2+ и Mg2+ (ммоль/л):

сэк (Na+ + K+) = (4 + 3 + 1) ммоль/л – (5 + 2) ммоль/л = 1 ммоль/л.

Находим содержание суммы катионов Na+ + K+ (в пересчете на Na+) в мг/л:

( Na+ + K+) = 1 ммоль/л 23 мг/ммоль = 23 мг/л.

Общая жесткость собщ равна сумме содержания ионов Са2+ и Mg2+, выраженной в ммоль/л:

собщ = cCa2 cMg2 = 7 ммоль /л.

Общая щелочность Що большинстваприродных вод обусловлена содержанием гидрокарбонат-ионов ( HCO3 ), выраженным в эквивалентной

форме (ммоль/л):

Що = с(НСО3 ) = 4 ммоль/л.

9

Общее солесодержание воды S соответствует сумме содержания всех ионов (катионов и анионов) и выражается в мг/л:

S = 100,2 + 24,3 + 144 + 244 + 35,5 + 23 = 571 мг/л.

Для вычисления массовой доли каждого иона суммы содержания катионов и анионов принимаются за 100% и относительно этого вычисляется содержание каждого из ионов. Сумма содержания катионов равна:

5 ммоль/л + 2 ммоль/л + 1 ммоль/л = 8 ммоль/л;

анионов:

4 ммоль/л + 3 ммоль/л + 1 ммоль/л = 8 ммоль/л.

Еслисуммысодержаниякатионовианионов, выраженныевэквивалентной форме, равны, то анализ воды сделан правильно.

Рассчитаем массовую долю каждого из ионов:

Контрольные вопросы и задачи

1. Результатыанализаводы, мг/л: Са2+ – 42,28; Мg2+ – 8,2; НСО3 – 112,8;

SO24 – 57,35; Сl– – 24,19. Переведите эти данные в эквивалентную форму.

Рассчитайте сумму содержания ионов натрия и калия (в расчете на натрий) вэквивалентнойиионнойформах. Определитеобщеесолесодержаниеводы

иее общую жесткость.

2.При анализе воды определено содержание ионов, мг/л: Nа+ – 64,5; К+

– 12,4; Са2+ – 82,5; Мg2+ – 36,2; НСО3 – 134,2; SO42 –143,4; Сl– – 74,4. Вы-

разите результаты анализа воды в эквивалентной форме (ммоль/л). Проверьте, правильно ли сделан анализ воды.

3. При анализе минеральной воды получены следующие результаты,

мг/л: Са2+ – 200; Мg2+ – 94; НСО3 – 940; SO24 – 98; Сl– – 42. Переведите

результаты анализа в эквивалентную форму, ммоль/л. Рассчитайте сумму содержания ионов натрия и калия (в расчете на натрий) в эквивалентной и ионной формах, общую жесткость и солесодержание воды.

4. Результаты анализа воды, мг/л: Са2+ – 52,1; Мg2+ – 17; НСО3 – 219,6;

SO24 – 48,96; Сl– – 6,38. Выразитерезультатыанализаводывэквивалентной

форме, ммоль/л. Рассчитайте сумму содержания ионов натрия и калия (в расчете на натрий) в ммоль/л и в мг/л. Определите карбонатную и общую жесткость, солесодержание воды, мг/л.

10